简析PCB制程中造成孔无铜的因素和改善

张亚锋（胜宏科技（惠州）股份有限公司，广东 惠州 516211）

简析PCB制程中造成孔无铜的因素和改善

张亚锋
（胜宏科技（惠州）股份有限公司，广东 惠州 516211）

文章主要分析了线路板中造成孔内铜空洞及无铜的产生原因，并从相关的设计源头、板材特性、层压结构、钻孔工艺、沉铜工艺以及干膜和电镀等的制程中简析其原理、原因，找出对应的改善、预防方案，提高良率，起到控制成本及提高品质的效果。

材质；钻孔；镀通孔；空洞；电流参数

1 前言

随着现代印制电路板设计要求的高密度、高性能、高频率，特别是针对多层板、HDI板导通性能的特殊要求.金属化孔镀层的优劣直接关系到线路板产品质量。对于线路板行业而言，过孔不通、孔内无铜，则是一件棘手而又特别重要的话题。

本文主要根据我公司生产过程中的设备及工艺流程，谈造成孔内无铜特别是过孔不通的因素、改进工艺参数，从而起到预防改善的目的。

从目前线路板行业的发展来看，多层板层压工序的层间叠构设计也越来越多样化、复杂化，特别是多过孔的通透能力，也要求越来越高。一个多层板，层间的PP种类达到3种以上（如图1），多的达到5种以上，所以对制程的要求也越来越高，孔内镀层的空洞

及孔无铜，将是一个致命性的问题附叠构图2。

图1

本文主要根据我公司生产过程中的设备及工艺流程，谈造成孔内无铜特别是过孔不通的因素、改进工艺参数，从而起到预防改善的目的。

2 造成孔内无铜的因素

2.1 孔内无铜现象

孔无铜可分为两方面，（1）指孔内镀层的出现的空度、断裂；（2）指孔内的完全无铜如图3示。

图3

2.2 工程资料的设计因素

工程资料的设计部分，一般均是依照客人提供的原始资料进行制程范围内的优化。依IPC标准验收标准，针对于镀铜孔，其最小的孔环接受2 mil的标准。也是大多数PCB板厂的最小制程能力。工程资料针对PTH孔环的设计，直接影响到孔内是否存在铜的一个源头，工程资料的设计仅是一个理论的数值，资料的照片转移，本身就存在有最小0.5 mil的偏差，考虑到实际生产中的对位公差（±2 mil）、蚀刻公差（线宽补偿的20%或者1 mil），均会影响到孔内铜的存在因素。

因此，设计方面过孔环整体按5 mil来设计，削环处最小必须保证在3 mil以上，空间允许的前提下必须按4 mil来设计。针对于插件孔，在不影响焊接的要求下，局部削PAD处最小需按4 mil来设计。源头资料的合理准确是改善孔无铜的一个方法。如图4。

图4

2.3 板材及层压及因素

不同的板材的企业，其各自的制作工艺和参数有一定的不同之处，其板材自身的耐热性、粘合性、膨胀系数、耐化学性、通孔可靠性、CAF性、介电常数、热应力的冲击等性能必然存在一定差异。特别是针对不同玻璃化温度的FR-4板料。传统的FR-4材料由于受到Tg(玻璃化温度)温度和CTE(热膨胀系数)的影响，在高温下基材内部易形成分层或者微空隙，形成一种类似于“芯吸”的楔形空洞。当然，为了避免这种因素的出现，同样也推出了各种Tg高 、CTE低、耐CAF的基材，来克服这种现象，以来适应不同规格和频率方面的应用。

层压处理后的多个内层，因自身与PP接触面的线路铜箔分部不同，其PP自身含胶情况，所以在压合的过程中，很有可能出现流动性差、凝胶时间长、压合参数异常不准确，处理过的内层芯板压合前处理异常，粘结片的不足，必然出现分层、空隙等异常缺陷，影响后续孔内铜的部分。

因此，层压阶段制定好内层芯板前处理的工艺参数，一般以棕化为主，选择合适的PP规格。监控到选择对应的板材、胶片叠放的数量、稳定工艺流程和针对不同规格的层压板调整加工参数，就可以避免因层压的因素导致孔内铜空洞及无铜的现象。

2.4 钻孔因素

孔内是否有铜，钻孔是一个很重要的因素。首先，我们先必须明确钻孔工序的一些常规标准。

2.4.1 孔径范围

2.4.2 叠板要求

表1为我公司叠板的标准。

2.4.3 作业原理

钻机在作业时，高速运转的钻头，在接触基材相互摩擦，会产生大量的热量。由于基材本身的热膨胀会使孔径收缩，孔壁对钻头的摩擦力增大，从而导致钻头在进、退刀时形成了大量的环氧树脂钻污；若加工参数的不恰当会导致板件生产过程中，在铜箔与树脂、树脂与玻纤布之间造成“撕裂”的缝隙，以及因近孔间距的影响，设计资料的不合理性，必然到后工序加工过程中引起空洞、无铜的缺陷。

表1 钻孔制程能力一览表

另外，针对钻机的保养，钻头寿命的限制，特别是孔径公差要求严格的八、十层板必须选用新钻头或者研磨2次以内的钻头。针对同一钻头的孔径大小，因板内布局不同，选择是否分刀作业，选择不同的参数。特别是针对BGA，CSP等区域。

这样作业的目的，也可避免BGA、CSP区域内因过孔间距的较小，修改钻机参数来改变过孔空洞及无铜现象。所以，针对钻孔工序，选择合适的钻孔及适宜的加工参数，明确不同板厚的叠板标准，管控好钻咀的合理寿命，避免因断针及操作失误造成后续产品出现孔无铜。

2.5 PTH沉铜

2018年7月，作为省管国企的老大，山东高速集团实现了飞速的换帅之举。孙亮的卸任早在几年前便在坊间有所传闻，但一直未见有实质性动作，对于相关接替人员，也一直未曾出现过热门人选。因此，由潍坊市常务副市长邹庆忠出任高速集团一把手，某种意义上说，出乎很多人的意料。

PTH沉铜工序主要有前处理工序和沉铜工序。

2.5.1 沉铜前处理

目的：去除钻孔后孔边缘的批锋及板面的氧化物。

因素：孔壁余胶、粉屑及氧化物的存在，在孔化和电镀过程中，往往受到外界因素“松动”而脱落离去，从而形成镀层空洞，表面及深孔内的油污的存在，影响了树脂与铜的结合力度，容易产生气泡，从而出现后续镀铜时的空洞或者气泡破裂后出现的断裂。

另外还需特别注意水破实验的结果，刷幅的调整以及高压水洗的压力、温度等状况。这些都会影响到镀铜的效果。

2.5.2 沉铜工序

目的：将钻孔后不导电的环氧树脂孔壁上镀一层很薄的金属，使其具有导电性能，为后制程的镀铜做准备。

因素：膨松的作用在于去除钻孔时钻孔内产生的碎屑及污物，膨松和软化基材，增进药水的咬蚀；除胶就是将钻孔壁上及内层铜箔上残留的树脂去除，并将孔内的树脂部分咬成蜂窝状，加强化学铜与孔壁的结合力度；中和剂为酸性药液，还原残余七价锰、六价锰及二氧化锰等，避免氧化剂带入后流程；整孔剂是一种微蚀性化学药品，主要含有阳离子界面活性剂，使原本负电性的孔壁形成带正电性以利于活化剂钯的附著，另一方面，使槽浴的表面张力降低，让原本不吸水性的板面及孔壁也能够具有吸水湿润的效果，以利于后续药水能发挥好的效果。微蚀剂是一种能够将铜表面粗化的药液，一方面能够将铜面上的氧化物及整孔剂咬掉，使在金属化的过程中让钯胶体及化学铜能尽量镀在孔内，另一方面是使板面粗化，让化学铜在粗化的板面上更有附著力；预浸剂是钯槽避免带入太多的水分及杂质，并提供活化剂所需要的氯离子及酸度，而作为牺牲溶液以维持钯槽浓度的稳定；活化剂具有高负电荷密度的锡钯胶体，提供孔内所需的钯触煤，能与化学铜有良好且细致的结合状况。速化剂主要在于剥除催化剂沉浸在板面及孔内的锡壳，而漏出所需要的钯层，以利于化学铜的催化反应。化学沉铜是一个自催化氧化还原反应，伴随着晶核的生成和生长过程，两者之间需要一个平衡，当生成大于生长速度时，铜离子堆积速度快，除了沉铜层的厚度较厚外，会有大量的铜原子直接在双电子层区域直接聚集形成“铜粒”，这样镀层的结合力就变差，也比较疏松；当生长速度大于生成速度时，部分区域可能直接没有铜原子的存在，电镀后直接出现镀层空洞的现象，所以，维持化学反应的一个平衡极为重要，这种平衡与沉铜药水的组成、温度有密切的联系。

再是杜绝气泡的生成，就主要在于化学铜之前的处理部分，特别是药水的浓度监控，电震强度、摇摆频率等前期的处理工艺上，必须严格按稳定的工艺参数、完整的机械设备操作。

另外化学铜完后的板，需按规定放入含5%酸性的水槽，依标准的搁置时间，完成下工序的作业，不可搁置时间太久，避免氧化或者酸性水的蚀刻。

总之，在PTH的化铜阶段，工艺参数的稳定、药水浓度的合理性都是特别重要的因素，人员及时的盘查、监控是很重要的。

2.5.3 板电工序

板电工序是对刚经过化学沉铜的板子，进行一次铜厚的加镀。孔铜的一般标准为最小0.7 mil，但也与其面铜的要求有关，一般0.7 mil的孔铜要求面铜的厚度均在最小1.4 mil，必须联系到面铜的因素。正常的1 oz/2 oz底铜的孔铜均是0.7 mil，面铜1.4 mil，板电孔内的铜厚度一般均在0.3 mil ～ 0.4 mil，否则后续的电镀流程后，孔内的镀铜就会偏薄，在蚀刻流程下很容易出现孔内铜裂或者孔无铜。板电之前的板为防止氧化需要浸泡在水槽中，板件在水槽中停留时间过久会造成电镀后“铜粉”和“空洞”的形成。另外，沉铜层的厚度有限，在预浸槽、水洗槽停留时间超时，进入铜缸中未及时输入电流等，都会造成“空洞”的形成，这主要是沉铜层厚度较薄被咬蚀的关系以及错误的电流强度和电流时间也会造成孔无铜的现象出现。

2.5.4 干膜与电镀

干膜工序造成的孔内空洞及无铜和后工序的电镀是因果关系，故而放在一起来讨论。干膜工序，无外乎就是干膜碎的存在，也可以从两个方面讨论：

干膜在压膜之前的前处理异常。板子进行前处理，磨刷、水洗板面，去除板面的氧化物，其工艺参数必须严格按要求作业，不可影响干膜与板面的结合力度。另压过干膜的板，放置的时间不能太久，一般不可超过8小时，如果放置的时间太久，干膜与空气的接触时间太久，其温度、湿度的原因都会影响到铜的附著状况。

干膜本身的质量因素。我公司现有的干膜厚度有两种1.2 mil及1.8 mil。如果干膜本身质量不过关，在显影的过程中就会有冲偏、膜破等现象，导致膜碎冲到孔中，或者膜片搭附在孔边缘。经过后工序电镀的镀铜、镀锡、蚀刻，从而出现孔破孔无铜现象（图5）。

图5 干膜碎及附著效果图

所以，针对干膜部分其预防的因素一方面从客户资料的设计方面，避免细丝和尖角的设计因素，另一方面，针对于不同类型的板，选择合适的厚度干膜，比如，布线简单、线比较粗的双、四层板我们可以考虑采用1.2 mil的干膜，针对六、八层以上的布线复杂、线细而又密集的可才用1.8 mil的干膜，增加其附著力度，避免出现孔无铜的现象。

3 总结

由于线路板制作工艺的流程较长，也就造成了引起孔无铜的因素颇多，但最为关键的制程还在于：钻孔、PTH化学沉铜以及干膜的制程。关键技术以及控制要素也在于工序参数的准确稳定、机械设备良好运作以及人员的标准作业。当然工程资料的完美优化，也会一定的程度上减小孔无铜的因素。设计、制造以及品质的现场严格卡关，及时的提出优化改善方案，定会起到提高品质的效果。

Simple analysis of factors and improvement of PCB process causing the hole without copper

ZHANG Ya-feng

This paper mainly analyzes the reason caused the hole copper cavity and no copper circuit board and the source from the process design, related sheet properties, laminated structure, drilling process, copper precipitation process and the dry film and plating in the principle, reason etc. in order to find out the corresponding improvement, prevention programs to imprive the yield rate, control the cost and improve the quality of results.

Material; Drilling, PTH; Void Hole; Current Parameters

TN41

A

1009-0096（2015）05-0047-04